2016

или смешивают с добавками и водой, переминают и перетирают до получения однородной керамической пасты. Порошковым способом перерабатывают, преимущественно, техногенные сырьевые материалы (шлаки, золы, бой тарного стекла, углеотходы и пр.).

Пластическим способом перерабатывают природное рыхлое глиF нистое и некоторые разновидности опалFкристобалитового сырья. В этой технологии отсутствуют этапы дробления и измельчения; осF тальные этапы переработки совпадают с этапами переработки сырья порошковым способом.

Итак, переработка исходных материалов – это превращение их в продукт, пригодный для формования сырцовых гранул, подвергаемых последующей термической обработке.

Всилу ряда причин – присутствия значительного количества оргаF нических включений, алевролитов, песчаников, высокой неоднородF ности состава, а также повышенной, подчас очень высокой прочности отF дельных компонентов – технологии переработки различных видов сырья все же отличаются друг от друга и требуют применения различного оборудования или различного набора типовых механизмов и машин.

Вцелях упорядочения терминологии будем называть: переработкой – процесс получения в машинах различного типа полупродукта в виде паст с разрушенной структурой; перерабатываемостью – способность исходной композиции приобретать в данных условиях (на данном типе машин) требуемые структуру и свойства; формованием – процесс получения из любого не имеющего формы полупродукта (порошка, суспензии или пасты) гранул определенной формы с организацией одновременно заданной их структуры; формуемостью – способность материала (порошка или керамической пасты) принимать опредеF ленную структуру по всему объему гранул.

Смеси, состоящие из дисперсной твердой фазы (зола, размолотые шлаки ТЭС, глина, твердая фаза углеотходов и пр.), жидкой дисперF сионной среды (вода) и газообразной фазы, мы будем называть керамическими пастами.

Золы, размолотые шлаки и измельченные аргиллиты, глинистые сланцы и углеотходы (углистые аргиллиты), из которых можно поF лучать пористые заполнители, будем называть порошками. В качестве связующего и упрочняющего компонента к порошкам добавляется глина монтмориллонитового или иллитового составов. По оценкам ряда специалистов первые имеют удельную поверхность порядка 60F100 м2/г (средний размер частицы приведенной сферической формы d = 0,024F0,04 мкм), вторые – 20F30 м2/г (средний размер частиц привеF денной сферической формы d = 0,08F0,12 мкм). В то же время в ряде

81

источников отмечается, что удельная поверхность отделенных друг от друга частичек монтмориллонита значительно выше благодаря их пластинчатому строению. По данным Ф.Д. Овчаренко, удельная поверхность черкасского монтмориллонита равна 640 м2/г, пыжовского – 760 м2/г.

Коллоидная химия разделяет дисперсные системы на грубодисF персные с частицами более 1 мкм и выше, удельной поверхностью менее 1 м2/г; высокодисперсные с частицами менее 1 мкм и удельной поверхностью 1F100 м2/г и ультрамикрогетерогенные с частицами, имеющими размер около 1 нм и удельную поверхность около 1000 м2/г. Такое деление учитывает существенное различие свойств указанных систем. Применительно к названным материалам, порошки следует отнести к грубодисперсным системам, а глины – к высокодисперсным.

3.1.1. Измельчение камнеподобных материалов

Современная технология получения заполнителей из зол и шлаков ТЭС предусматривает измельчение шлаков, но исключает диспергиF рование зол. Принято считать, что золы имеют высокую дисперсность (удельная поверхность – более 1500 см2/г), достаточную для получеF ния из них качественных строительных материалов. В то же время отмечается, что золы отличаются высокой неоднородностью состава, высоким содержанием органических включений, часть которых закапF сулована в стеклянную оболочку, что побуждает ряд авторов рекоменF довать проведение операций по их предварительному тщательному усреднению и измельчению. Чем мельче частицы шлака, золы и других твердых составляющих шихты, тем быстрее идут процессы спекания частиц друг с другом, образования жидкой фазы, усреднения расплава. Только в расплаве может быть достигнут достаточно однородный химический состав соединяемых компонентов исходной шихты. ИменF но однородность химического состава определяет качество конечного продукта. Исследуя влияние дисперсности стеклянного порошка на свойства пеностекла и гранулированного пеностекла, Б.К. Демидович убедился в том, что с увеличением дисперсности стеклянного порошка растет вспенивание пеностекла и вспучивание гранулированного пеноF стекла. Получение высококачественного акустического пеностекла возможно только на стеклянном порошке с удельной поверхностью выше 4500 см2/г.

В процессе диспергирования изменяются основные физикоF механические свойства порошков, изменяется их влияние на процессы формирования структуры и качество пористых заполнителей, а также на динамические характеристики, определяющие условия их транспорF тирования и складирования. К основным физикоFмеханическим свойF

82

ствам порошков, которые определяют их динамические характериF стики, способность к формированию керамической пасты, гранулироF ванию, вспучиваемости, отнесены дисперсность, насыпная плотность, текучесть, внутреннее трение, прочность сформованных гранул.

С учетом высказанных замечаний в качестве факторов были приняты:

X1 – вид измельчаемого материала. Данный фактор варьировали на

четырех уровнях: 1Fй уровень – зола ТоТЭЦ; 2Fй – шлак ТоТЭЦ; 3Fй – отход угледобычи шахты «Западная»; 4Fй – отход обогащения угля на Интинской ОФ;

X2 – время измельчения, мин;

X3 – количество органики, содержащейся в исследуемом матеF

риале, % от массы исследуемого материала; X4 – количество хлористого натрия;

X5 – количество воды.

Органика, вода и раствор NaCl являются поверхностноFактивными веществами.

Фиксировали следующие параметры:

Y1 – удельную поверхность порошка, см2/г;

Y2 – насыпную плотность порошка, кг/м3;

Y3 – энергию, затрачиваемую на измельчение 1 г материала при

получении поверхности в 1см2, Дж/см2;

Y4 – плотность вспученных гранул, обожженных при оптимальном

режиме нагрева, г/см3;

Y5 – угол естественного откоса, град;

Y6 – угол внутреннего трения, град;

Y7 – коэффициент внутреннего трения.

Эксперименты проводили в следующей последовательности. ИсF ходные материалы высушивали в сушильном шкафу при температуре 100 С до постоянной массы. Помол материалов производили в двухкаF мерной шаровой мельнице периодического действия с объемом одной камеры 10 л. Масса металлических шаров, загружаемых в одну камеру – 10 кг, диспергируемого материала (шлака, золы или углеотходов) – 5 кг. Исходный размер частиц шлаков и углеоходов – 2F3 мм. Золы загружали в мельницу с естественным зерновым составом. Воду, если предусматривалось условиями экспериментов, вводили в мельницу в последнюю очередь. После измельчения в течение заданного времени порошок выгружали и проводили его испытание.

83

По результатам испытаний строили графики зависимости сопроF тивления порошка сдвигу от нормальной нагрузки, с помощью которых устанавливали коэффициент и угол внутреннего трения, а также силу сцепления (слипания) порошков. На рис. 3.1 в качестве примера показаны диаграммы сопротивления сдвигу порошков из золы и шлака ТоТЭЦ, углеотходов шахты «Западная» и фабрики «Интинская» одинаковой дисперсности, примерно 3800 см2/г.

Рис. 3.1. Диаграммы сопротивления сдвигу порошка, состоящего из:

–отхода шахты “Западная” (удельная поверхность порошка – 3850 см2/г);

–отход фабрики “Интинская” (удельная поверхность порошка – 3620 см2/г);

–шлака – 88,2 %, смышляевской глины – 10 % и НУЧ – 1,8 % (удельная поверхность порошка – 3820 см2/г);

–золы ТоТЭЦ – 90 % и смышляевской глины – 10 % (удельная поверхность порошка – 3800 см2/г)

Представленные на диаграмме зависимости сопротивления сдвигуот нормальной уплотняющей нагрузки н могут быть выражены

следующим уравнением:

84

На рисунке показан пример определения силы сцепления, угла и коэффициента внутреннего трения для смеси, состоящей из золы ТоТЭЦ и смышляевской глины. Напомним, что зола ТоТЭЦ содержит 15 % НУЧ.

Ориентировочное представление об угле внутреннего трения дает величина угла естественного откоса, под которым принято понимать предельный угол наклона откоса, когда он все еще находится в устойF чивом состоянии. Угол естественно откоса определяется достаточно просто, часто эта величина для ряда порошков фигурирует в справочF ных пособиях. В настоящей работе угол естественного откоса порошF ков определялся по методике, изложенной в работе: Ломтадзе В.Д. МеF тоды лабораторных исследований физикоFмеханических свойств горF ных пород / В.Д. Ломтадзе – Л: Недра, Ленинградское отд., 1972. – 312 с.

Общие затраты энергии на измельчение определяли умножением силы тока на напряжение и время, в течение которого происходило измельчение. Из полученного результата отнимали затраты энергии на вращение мельницы с шарами, но без материала в течение того же периода времени и получали, таким образом, «чистую» энергию, расходуемую на измельчение анализируемого материала.

Поиск оптимального режима обжига гранул (цилиндриков) и их обжиг производили по методике, изложенной в ТУ 21F0284739F12F90 «Сырье глинистое для производства керамзитовых гравия, щебня и песка», Самара: 1991.

Результаты экспериментов сведены в табл. 3.1F3.4. В табл. 3.1 и на рис. 3.2 приведены данные о взаимосвязи количества энергии на измельчение рассматриваемых материалов и дисперсности порошка.

Рис. 3.2. Удельные затраты энергии на измельчение отходов:

85

Т а б л и ц а 3 . 1 Влияние вида материала на величину удельных затрат энергии

при измельчении

86

О к о н ч а н и е т а б л . 3 . 2

Результаты исследования влияния ПАВ на диспергируемость шлаков приведены в табл. 3.2 и на рис. 3.3. Исследование проводили на шлаках Тольяттинской ТЭЦ. Исследовали влияние следующих ПАВ: технической сажи, несгоревших угольных частиц (НУЧ), воды и раствора поваренной соли 5 %Fй концентрации.

Рис. 3.3. Влияние ПАВ на энергозатраты при измельчении отходов:

– шлак+раствор NaCl (0,4 %); – – – шлак+сажа (0,3 %);

– шлак+НУЧ (1,3 %); – шлак+вода (0,4 %);

– шлак ТоТЭЦ

87

В табл. 3.3 приведены величины углов естественного откоса и внутреннего трения, а также значения коэффициентов внутреннего трения и сил сцепления исследуемых порошков.

Т а б л и ц а 3 . 3 Углы естественного откоса и внутреннего трения,

коэффициенты внутреннего трения, силы сцепления порошков

* Звездочкой помечены результаты, полученные институтами Гипроцемент и НИИОГАЗ

Наконец, в табл. 3.4 приведены результаты, демонстрирующие влияние дисперсности порошков на качество сформованных гранул: прочность и вспучиваемость.

88

Т а б л и ц а 3 . 4 Влияние дисперсности исходных материалов на показатели качества

сырцовых гранул и гранул пористых заполнителей

Наибольшее количество энергии для прироста единицы поверхF ности порошка расходуется при измельчении шлаков. Меньше траF тится энергии на измельчение зол, еще меньше – на измельчение углеотходов. Количество затрачиваемой на измельчение материала энергии с удельной поверхностью получаемого порошка связано параF болическим законом. На прирост новой поверхности порошка требуетF ся тратить все большее количество энергии (см. рис. 3.2 и табл. 3.1).

Меньшая энергоемкость измельчения зол по сравнению с энерF гоемкостью измельчения шлаков обусловлена рядом причин: присутF ствием в золах сравнительно большого количества слабых несгоревших угольных частиц и аморфизованных частиц глины. Кроме того, измельченные НУЧ, обладая гидрофобными свойствами, играют роль пептизаторов, препятствующих агрегированию размолотых частиц друг с другом.

89

С увеличением удельной поверхности порошков наблюдается сниF жение скорости диспергирования, которое можно объяснить начинаюF щимся агрегированием частиц стекла, а также уменьшением удельной энергии помола. Уменьшению затрат энергии на измельчение способF ствуют частицы графита, которые, равномерно распределяясь по поF верхности стекловидных частиц золы и шлака, препятствуют контакту частиц стекла между собой. Сами же углеродсодержащие вещества в силу своих гидрофобных свойств обладают слабой силой сцепления с частицами стекла, в результате чего образующиеся из мелких частиц стекла и графита агрегаты легко распадаются при помоле.

Как видно из результатов, помещенных в табл. 3.2 (см. рис. 3.3), все опробованные ПАВ оказывают положительное влияние на ускорение процесса диспергирования шлаков. Применение ПАВ снижает затраты энергии на измельчение шлаков примерно на 15F35 %.

Наиболее эффективное влияние на снижение энергоемкости диспергирования оказывает техническая сажа благодаря своей высокой удельной поверхности (порядка 100 м2/г). С экономической точки зрения целесообразнее применять НУЧ, которые всегда содержатся в золах ТЭС.

Специальные опыты показали, что при совместном измельчении шлаков и зол частицы НУЧ, содержащиеся в золах, измельчаются быстрее, чем частицы шлака, примерно в 6F10 раз. При измельчении шлаков в течение 60 минут их дисперсность (по удельной поверхности) достигает величины 2500F4000 см2/г, дисперсность НУЧ (при соF вместном помоле со шлаком) достигает 8000F20000 см2/г. ОптимальF ным, с точки зрения повышения диспергируемости шлаков, можно признать количество НУЧ, равное 1,0F1,3 %.

Совместное измельчение стекловидных веществ и графита ускоряет их диспергирование за счет сил электростатического отталF кивания, но при этом повышается сыпучесть и пыление смеси, что крайне нежелательно, поскольку обе составляющие смеси являются вредными для здоровья человека, особенно в дисперсном состоянии.

Ходаков Г.С. и Демидович Б.К. в ряде работ предлагают для уменьшения пыления смеси в процессе диспергирования и при ее транспортировке измельчение производить в присутствии небольшого количества воды (0,3F0,6 %). Результаты наших исследований влияния воды на измельчение шлаков приведены в табл. 3.2. Они подтверждают выводы Ходакова и Демидовича о положительном влиянии небольших количеств воды на уменьшение затрат энергии при диспергировании кварца и силикатного стекла. Количество воды, вводимой в шихту, не

90